付義勝　鎬　振

(1.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司中馬村礦；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院；3.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固二礦)

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軟巖巷道圍巖控制數(shù)值模擬

付義勝1鎬振2，3

(1.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司中馬村礦；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院；3.河南能源化工集團(tuán)焦煤公司趙固二礦)

摘要趙固二礦軟巖巷道變形嚴(yán)重，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D,對工鋼棚+噴漿+注漿支護(hù)下的巷道圍巖應(yīng)力、位移特征和塑性區(qū)范圍進(jìn)行了計(jì)算分析。結(jié)果表明，隨著側(cè)壓系數(shù)地增大，圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)范圍都有增大的趨勢，且塑性區(qū)由巷道兩幫向頂?shù)装遛D(zhuǎn)移?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，采用工鋼棚+噴漿+注漿支護(hù)，巷道兩幫移近量和頂板下沉量分別為145和112 mm，圍巖控制效果較好，為類似條件下的巷道支護(hù)提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞巷道支護(hù)數(shù)值模擬軟巖

隨著新能源的不斷開發(fā)和利用，以及國家對能源消耗政策的調(diào)整，在一次能源中，煤炭消費(fèi)比重將會逐年下降，但是其主導(dǎo)地位仍不能動(dòng)搖。據(jù)預(yù)測，在未來50 a內(nèi)，我國能源的一次消費(fèi)和生產(chǎn)以煤炭為主的格局不會改變。近年來，隨著礦井開采深度的增大，巷道圍巖所承受的壓力也越來越大，許多原來軟巖較少的礦區(qū)(如平頂山、焦作、徐州等)的部分巷道也呈現(xiàn)出軟巖特征[1]。軟巖巷道以其高地壓、大變形、難支護(hù)的特點(diǎn)，已成為地下工程中的難題之一，受到了地下工程及國際巖石力學(xué)界的關(guān)注。目前，國內(nèi)外普遍采用增加支護(hù)強(qiáng)度的方式減少巷道圍巖變形，如增大錨桿(索)密度，錨網(wǎng)索與剛性支架聯(lián)合支護(hù)等，但效果并不理想[2]。

巖石的流變特性是軟巖巷道變形破壞的原因之一[3]。工程實(shí)踐表明，在軟巖巷道開挖以后，短時(shí)間內(nèi)巷道圍巖不會發(fā)生變形，但是在高應(yīng)力作用下，巷道圍巖會表現(xiàn)出顯著的流變特性，使得巷道圍巖在較長時(shí)間的變形后發(fā)生破壞，具有較為明顯的時(shí)效性[4-6]。許多地質(zhì)現(xiàn)象(如斷裂、褶皺等)表明地殼中存在水平應(yīng)力[7]，在19世紀(jì)20年代，我國地質(zhì)學(xué)家李四光曾指出:在構(gòu)造應(yīng)力僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過垂直應(yīng)力分量[8]。本文針對趙固二礦Ⅰ盤區(qū)上段膠帶運(yùn)輸大巷一次錨網(wǎng)索支護(hù)后巷道變形嚴(yán)重的問題，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，分析了工鋼棚+全斷面噴漿+注漿支護(hù)巷道圍巖的應(yīng)力、位移特征和塑性區(qū)范圍。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該支護(hù)方式的巷道圍巖控制效果較好，為類似條件下的巷道支護(hù)提供了參考依據(jù)。

1工程背景

趙固二礦位于焦作煤田東部，礦井于2007年1月9日開工建設(shè)，2011年4月23日正式投產(chǎn)。主采二1煤，煤層傾角多在6°以內(nèi)，煤層平均厚度 5.6 m。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1.80 Mt/a。Ⅰ盤區(qū)上段膠帶運(yùn)輸大巷擔(dān)負(fù)著該區(qū)東部通風(fēng)、煤炭運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，埋深約700 m，巷道頂?shù)装鍘r性特征見圖1。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，掘?qū)挕辆蚋?5 800 mm×3 700 mm，一次支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，該巷道掘進(jìn)后，兩幫收斂、頂板下沉、底鼓現(xiàn)象嚴(yán)重，巷道最小高度僅約2.1 m。為確保安全生產(chǎn)，對該巷道架設(shè)工鋼棚后進(jìn)行全斷面噴漿、注漿支護(hù)。

圖1　巷道頂?shù)装宓刭|(zhì)柱狀圖

2數(shù)值模擬

2.1模型建立

由于本次模擬是以軟巖為特征的地質(zhì)模型，在考慮了煤巖層的層狀特征以及巖石進(jìn)入塑性屈服階段以后，巖體的各項(xiàng)參數(shù)將會發(fā)生變化，因此采用了基于彈塑性理論的Mohr-Coulomb模型，該模型能夠反映巖土材料抗壓強(qiáng)度不同的S-D效應(yīng)以及對正應(yīng)力的敏感性。模型為大應(yīng)變變形，巷道開挖空間采用零模型(model null)模擬。巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，頂板主要為泥巖、中粒砂巖，底板主要為泥巖和砂質(zhì)泥巖(圖1)。為簡化計(jì)算，在數(shù)值模擬中，以厚度較大的巖層作為模擬對象，把厚度較小且?guī)r性接近的巖層劃歸為同一巖層。

地質(zhì)網(wǎng)格模型見圖2。計(jì)算模型斷面尺寸：寬×高×厚=20 m×20 m×1 m。二1煤層埋深約700 m，上覆巖層容重取25 kN/m3，因此施加在模型上邊界的應(yīng)力以垂直應(yīng)力為主，為17.5 MPa；水平方向上的邊界限制x方向的位移，底部為固定約束，無位移。

研究了巷道在工鋼棚+注漿二次支護(hù)、側(cè)壓系數(shù)λ為1.0，2.2條件下的圍巖位移、應(yīng)力分布特征及塑性區(qū)的大小。

圖2　地質(zhì)網(wǎng)格模型

2.2數(shù)值模擬結(jié)果分析2.2.1側(cè)壓系數(shù)λ=1.0，2.2

側(cè)壓系數(shù)λ為1.0，2.2時(shí)，巷道圍巖位移應(yīng)力分布及塑性區(qū)特征見圖3、圖4。

圖3　λ=1.0時(shí)巷道圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)

圖4　λ=2.2時(shí)巷道圍巖位移、應(yīng)力、塑性區(qū)

2.2.2不同側(cè)壓系數(shù)時(shí)圍巖位移及應(yīng)力對比

不同側(cè)壓系數(shù)時(shí)圍巖位移、應(yīng)力變化見表1。

由表1可以看出，隨著側(cè)壓系數(shù)的變大，工鋼棚+注漿支護(hù)巷道圍巖位移及圍巖應(yīng)力都有增大的趨勢。垂直應(yīng)力集中在巷道兩幫1～5 m處，最大應(yīng)力集中系數(shù)為3.5，巷道圍巖塑性區(qū)范圍隨側(cè)壓系數(shù)的增大，由巷道兩幫向巷道頂?shù)装遛D(zhuǎn)移。從以上分析可以看出，工鋼棚+注漿支護(hù)可以有效控制巷道圍巖變形。

表1　不同測壓系數(shù)時(shí)巷道圍巖位移、應(yīng)力大小對比

3現(xiàn)場應(yīng)用

3.1支護(hù)參數(shù)

(1)錨桿規(guī)格為φ20 mm×2 400 mm，間排距800 mm×800 mm，頂部錨桿錨固長度不小于1 000 mm(2350型樹脂錨固劑2卷)，托盤為δ10 mm×150 mm×150 mm，與長度為5 560 mm的鋼筋梯配合使用。幫部錨桿托盤為W型鋼帶，與規(guī)格為δ10 mm×150 mm×150 mm托盤配合使用。鋼筋梯寬度為95 mm，采用φ14 mm的圓鋼制作，排距為800 mm。

(2)槽鋼梁錨索規(guī)格為φ21.6 mm×8250 mm，間排距為1 600 mm×1 600 mm，錨固長度不低于2 000 mm (2350型樹脂錨固劑4卷)，采用長5 100 mm的16#槽鋼梁與δ12 mm×120×120 mm和δ12 mm×80 mm×80 mm 鋼板配合使用。

(3)點(diǎn)錨索規(guī)格為φ21.6 mm×8 250 mm，間排距1 600 mm×1 600 mm，錨固長度不小于2 000 mm(2350型樹脂錨固劑4卷)，采用全U蝶形托盤和δ12 mm×150 mm×150 mm鋼板配合使用。

(4)金屬網(wǎng)片用φ6 mm鋼筋焊接，網(wǎng)幅900 mm×1 700 mm。施工時(shí)網(wǎng)片搭接100 mm，使用14#電鍍鋅絲綁扎牢固，頂部網(wǎng)片搭接處四角綁扎，幫部對角綁扎。

架設(shè)工鋼棚后進(jìn)行全斷面噴漿，噴射混凝土強(qiáng)度不低于C25，噴漿厚度不低于120 mm，灑水養(yǎng)護(hù)7 d 后進(jìn)行注漿，注漿順序?yàn)橛上轮辽?，即底角、兩幫、兩肩、頂板，注漿終壓不低于3 MPa。巷道支護(hù)斷面如圖5所示。

圖5　巷道支護(hù)斷面(單位：mm)

3.2礦壓觀測

支護(hù)方案應(yīng)用后，對支護(hù)試驗(yàn)段進(jìn)行了90 d的巷道位移觀測，觀測結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，巷道兩幫移近量和頂板下沉量分別為145和112 mm，沒有出現(xiàn)噴漿體開裂、工鋼棚變形等情況，說明該支護(hù)方式的圍巖控制效果較好。

4結(jié)論

隨著側(cè)壓系數(shù)的變大，工鋼棚+噴漿+注漿支護(hù)巷道圍巖位移、應(yīng)力和塑性區(qū)范圍都有變大的趨勢，并且塑性區(qū)由巷道兩幫向巷道頂?shù)装遛D(zhuǎn)移，有效控制了巷道變形。

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(收稿日期2015-10-13)

付義勝(1984—)，男，碩士，454003 河南省焦作市。